Een nieuwe studie daagt het idee uit dat de atomaire structuur van glas niet te onderscheiden is van die van een vloeistof - althans voor een bepaald soort glas dat "amorf ijs" wordt genoemd en dat ontstaat wanneer water wordt afgekoeld tot zeer lage temperaturen.

In de studie, onderzoekers van Princeton University en de City University van New York gebruikten computersimulaties om aan te tonen dat de watermoleculen in amorf ijs gerangschikt zijn in een voorheen onopgemerkte volgorde, die de originele vloeistof niet bevatte. de bevinding, gepubliceerd op 29 september in het tijdschrift Fysieke beoordelingsbrieven , kan helpen verklaren dat water nieuwsgierig is, levengevende eigenschappen. Het daagt ook de definitie uit van wat het betekent om een ​​glas te zijn.

Glazen worden meestal gemaakt door een vloeistof snel af te koelen, en, volgens de huidige inzichten, een glas erft de volgorde die aanwezig was in de oorspronkelijke vloeistof. In het geval van amorf ijs, echter, terwijl het vloeibare water afkoelt, er ontstaat een nieuwe en ordelijke rangschikking van moleculen.

"Volgens onze resultaten, deze soorten glas zijn niet zomaar bevroren vloeistoffen - deze foto gaat niet meer op, " zei Fausto Martelli, een associate research scientist bij de afdeling scheikunde van Princeton. "We zeggen in wezen dat een idee dat wetenschappers jarenlang hebben geloofd, gedeeltelijk verkeerd is."

Voorafgaand aan deze studie, onderzoekers wisten dat het snel bevriezen van water, die kunnen optreden bij de extreem koude temperaturen in de ruimte, leidt tot de vorming van een heel ander materiaal dan het ijs van de alledaagse ervaring. Dit materiaal, bekend als amorf ijs, mist de sterk geordende kristallijne structuur van regulier ijs, leidende wetenschappers om het te categoriseren als een glas - een vloeistof waarvan de beweging is vertraagd tot een glaciaal tempo. Amorf ijs komt niet veel voor op aarde, maar ze zijn de meest voorkomende vorm van water in het universum.

De nieuwe studie wees uit dat de moleculen in dit amorfe ijs zich rangschikken in een voorheen onopgemerkt intern patroon. Dit patroon, bekend als wanordelijke hyperuniformiteit, wordt gedefinieerd als orde over grote ruimtelijke afstanden, zelfs als er geen orde is over korte afstanden. Ongeordende hyperuniforme materialen vallen ergens tussen een kristal, die sterk georganiseerd is over lange afstanden, en een vloeistof, die alleen over korte afstanden wordt besteld.

"Het bestaan ​​van deze grootschalige structurele correlaties is niet volledig gewaardeerd, en dat is eigenlijk wat we wilden aanpakken in deze studie, " zei studie co-auteur Salvatore Torquato, een professor in de chemie die, met Princeton senior wetenschapper Frank Stillinger, identificeerde voor het eerst hyperuniformiteit meer dan een decennium geleden ( Fysieke beoordeling E , 2003). "De informatie die in deze systemen aanwezig is, is behoorlijk opvallend, en leidt tot geheel nieuwe inzichten over materialen, " zei hij. Sindsdien hebben hij en zijn collega's hyperuniformiteit op een aantal plaatsen vastgesteld, inclusief de rangschikking van cellen in een kippenoog ( Fysieke beoordeling E , 2014).

Naast Martelli en Torquato, de auteurs van de studie waren Roberto Car, Ralph W. Dornte Professor in de chemie van Princeton, en Nicolas Giovambattista, een universitair hoofddocent aan het Brooklyn College-The City University van New York. Torquato en Car zijn verbonden aan het Princeton Institute for the Science and Technology of Materials.

Om de interne structuur van amorf ijs te onderzoeken, Martelli gebruikte een computermodel dat het gedrag van meer dan 8, 000 watermoleculen om te simuleren wat er zou gebeuren als hij het water afkoelde tot ongeveer 80 graden Kelvin (ongeveer -316 graden Fahrenheit). Bij deze temperatuur, watermoleculen zijn zo verstoken van warmte dat ze niet meer van plaats naar plaats kunnen bewegen, noch op zijn plaats draaien. Bij deze temperatuur en lager, de onderzoekers zagen het hyperuniforme patroon naar voren komen in de gegevens van de computersimulatie.

"We zijn niet gewend om op zulke grote lengteschalen orde te zoeken, "Zei Martelli. "Echter, wiskunde stelt ons in staat om licht te werpen op patronen die onze ogen niet kunnen zien."

De simulaties vergden maanden tijd op krachtige onderzoekscomputers, waaronder de TIGRESS-clusters van Princeton University via het Princeton Institute for Computational Science and Engineering.

De simulatie stelde de onderzoekers in staat om vragen te stellen over de aard van water, die veel afwijkend gedrag vertoont waardoor het bij uitstek geschikt is om het leven te ondersteunen. Een dergelijke anomalie is dat de kristallijne vorm van ijs minder dicht is dan vloeibaar water, ijs laten drijven, die op zijn beurt het leven mogelijk maakt onder het ijs in meren en oceanen.

Een mogelijke verklaring voor de anomalieën van water is dat, bij zeer koude temperaturen, water kan in twee vloeibare fasen komen - de ene dichter dan de andere - in plaats van alleen de ene vloeibare toestand die we bekend vinden. Het detecteren van de overgang van water tussen de vormen met hoge dichtheid en lage dichtheid is ongrijpbaar gebleken vanwege technische uitdagingen.

De huidige studie biedt indirecte ondersteuning voor het bestaan ​​van de twee vormen, althans in computersimulaties. Giovambattista simuleerde de toepassing van hoge druk op het model en merkte op dat de druk de vorm met lage dichtheid van amorf ijs omzet in een vorm met hoge dichtheid. De overgang tussen de twee vormen van amorf ijs komt overeen met het bestaan ​​van twee vloeibare vormen van water.

Het begrijpen van de lange-afstandsvolgorde die aanwezig is in amorfe materialen is een actief studiegebied omdat het benutten van hyperuniformiteit kan leiden tot praktische toepassingen. De hyperuniformiteit die aanwezig is in amorf silicium kan nieuwe manieren mogelijk maken om elektronische eigenschappen af ​​te stemmen. Het vermogen om de hyperuniforme langeafstandsvolgorde van een materiaal te manipuleren, kan wetenschappers helpen sterker keramiek of duurzamere glazen te bouwen.

Amorf ijs kan worden geproduceerd in laboratoriumomgevingen, Martelli zei, en het kan mogelijk zijn om bewijs van hyperuniformiteit in deze experimenten te vinden.